Modelamiento de Objetos 3D

Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación
WICC 2002
Modelamiento de Objetos 3D
Mg. Silvia Castro(1,3) Lic. Sergio Martig(1,3)
Dra. Liliana Castro(2,3) Mg. Liliana Boscardín(2,3) Lic. Diana Salgado(2,3)
(1)
Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación
(2)
Departamento de Matemática
(3)
Laboratorio de Investigación en Visualización y Computación Gráfica
Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología Informática (IICyTI)
Universidad Nacional del Sur
Bahía Blanca
Resumen
Las escenas tridimensionales generadas hoy en día contienen modelos geométricos altamente
detallados; éstas están emergiendo rápidamente como la próxima generación de aplicaciones tales
como las basadas en Internet, los complejos ambientes virtuales tridimensionales, el CAD
colaborativo, la visualización interactiva y los videojuegos multiusuario, entre otras. Así, se espera
que la futura generación de sistemas gráficos computacionales trate con complejos modelos 3D
renderizados de manera interactiva y se espera un crecimiento de tales modelos 3D en la red.
Esta situación motiva el desarrollo de modelos de volúmenes, representados a través de su
superficie y/o de su interior, que puedan satisfacer los requerimientos de uso efectivo de espacio en
disco y de ancho de banda de red, así como también una reducción sustancial del tiempo de
transferencia sobre la red. Indudablemente, estos modelos plantean rigurosas demandas en lo
referente a ancho de banda, capacidad de almacenamiento y tiempo de transmisión.
Tradicionalmente, los modelos geométricos de gran complejidad han sido construidos de
subdivisiones de modelos de objetos aproximados poligonalmente denominadas redes, o de
sistemas de escaneo que pueden producir modelos de gran complejidad con cientos de miles o
millones de vértices e información de atributos adicionales a cada uno de ellos tales como el color
y las normales. En todos los casos, la representación resultante requiere grandes cantidades de
memoria de almacenamiento y grandes tiempos de transmisión y renderizado. Por lo dicho,
requerimientos mínimos de un sistema gráfico de software de hoy en día incluyen compresión,
multirresolución, simplificación aproximada de redes y transmisión progresiva.
El principal objetivo de nuestro trabajo es la construcción de buenos modelos de volúmenes,
representados tanto a través de su superficie como de su interior, de modo tal que sea posible una
aproximación de alta calidad de grandes cantidades de datos. Estamos trabajando en la obtención
de representaciones 3D que soporten multirresolución, transmisión progresiva, compresión,
refinamiento electivo y renderizado rápido y eficiente.
Introducción
Hoy en día, los dispositivos de escaneo permiten la adquisición finamente detallada de objetos 3D;
además, los costos del hardware gráfico caen aceleradamente, la World Wide Web en el campo de
la realidad virtual, especialmente para acceso remoto, hace necesario un acceso muy rápido a los
datos; estos son algunos de los factores que demandan una generación y un uso siempre creciente
de modelos de volúmenes que puedan enfrentarse con esta complejidad.
Las grandes demandas que plantean tales modelos se refieren a los recursos de cálculo,
almacenamiento, tiempo de transmisión y renderizado. Con la finalidad de manejar los gigantescos
datasets volumétricos, es necesario tener diversas alternativas que satisfagan los requerimientos
mencionados. Estos datasets se definen típicamente mediante muestras discretas, bien alineadas
Página 77
76
Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación
WICC 2002
sobre grillas regulares o bien aleatoriamente dispersos en el espacio describiendo una forma 3D y/o
un conjunto de datos adicionales en determinados puntos del dominio.
A partir de las muestras discretas, se construye un modelo geométrico que incluya los atributos y
que aproxime lo mejor possible la forma subyacente. Multirresolución, compresión y progresividad
son esenciales para almacenar, mostrar y transmitir complejas bases de datos 3D dentro de tiempos
mínimos, satisfaciendo cotas de error y/o cotas de complejidad.
Los conjuntos de datos volumétricos utilizados actualmente en diversas aplicaciones en distintas
áreas del conocimiento tienen características muy variadas pero un problema en común: un tamaño
tan grande que afecta tanto los requerimientos de almacenamiento y transmisión como su tiempo de
visualización. En los últimos años se han hecho esfuerzos con el objeto de mejorar la performance
de rendering de estos conjuntos de datos volumétricos, pero hace muy poco que se ha comenzado a
hacer propuestas basadas en un modelamiento adecuado. Este trabajo está direccionado a lograr
una construcción eficiente de modelos 3D, tanto volumétricos como de superficie, que sean
aproximaciones de alta calidad de datos geométricos de gran complejidad permitiendo además una
manipulación interactiva de los mismos.
Es decir que si bien se ha dedicado mucho esfuerzo para encontrar buenos modelos de
representación volumétrica aún resta mucho por hacer .
Líneas de investigación actual en Modelamiento
Teniendo en cuenta la necesidad de mejores métodos de modelamiento de volúmenes que permitan
buenas performances en cuanto a espacio de almacenamiento y a tiempo de transmisión, orientados
tanto a volúmenes representados mediante su superficie como a volúmenes representados con su
interior, hemos direccionado nuestro trabajo en dos líneas:
-
Manejo de superficies, incluyendo compresión, subdivisión, simplificación y multirresolución.
Los modelos 3D que representan los objetos por su superficie están manejando millones de
polígonos interactivamente y esto está muy lejos de ser renderizado actualmente en las PC's en
tiempos interactivos. Las técnicas actuales de aceleración gráfica mejoran significativamente la
performance pero no ayudan cuando en una escena son visibles a la vez una gran cantidad de
objetos. Si bien actualmente se han desarrollado muchas técnicas de simplificación que
permiten representar escenas complejas efectivamente, aún no se han logrado representaciones
para los casos en los que los modelos tienen detalles de alta frecuencia. Es por ello que se está
trabajando en representaciones de volúmenes a través de su superficie que, dados modelos de
gran complejidad en cuanto a los detalles de alta frecuencia, permitan una representación
simplificada de alta calidad.
-
Manejo de volúmenes incluyendo compresión de datos, subdivisión, simplificación y
multirresolución. Las wavelets han sido descubiertas por las comunidades de gráfica y de
visualización para una aproximación eficiente de grandes conjuntos de datos, habiéndose usado
en diversas aplicaciones. Dada una pérdida de información predefinida, el principal objetivo de
las wavelets es aproximar los datos con tan pocos coeficientes distintos de cero como sea
posible. Las propiedades de localización de las wavelets permiten controlar la calidad de la
aproximación tanto general como localmente; obviamente esta pérdida de información es
función de la posición espacial y la calidad es controlada por la representación en wavelets. Si
bien aún se aplican restricciones al conjunto de datasets que se representan con wavelets, lo
expuesto habla de la importancia de un desarrollo del tema en lo referente a generalizar las
técnicas de wavelets a conjuntos de datos que no pueden atacarse con las representaciones
actuales de las mismas. Dentro de este contexto se está trabajando en la extensión de la
definición de wavelets sobre tetraedros a wavelets suaves por medio del esquema de
Página 78
77
Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación
WICC 2002
lifting con el objetivo de modelar objetos complejos de manera compacta dando
además una medida de la calidad de dicha aproximación
Es realmente un desafío encontrar métodos y estructuras de datos que sean compactas, eficientes,
confiables y que permitan una buena calidad visual de los modelos.
Conclusiones
El objetivo del grupo es la obtención de algoritmos y estructuras de datos eficientes para la
representación, manipulación y transmisión de objetos 3D gigantes y complejos. En ambos casos,
se pretende obtener nuevos modelos 3D que permitan la visualización y la exploración interactiva
de grandes conjuntos de datos sobre PCs y en la red, permitiendo así hacer accesible la tecnología
de visualización a un mayor rango de usuarios.
Bibliografía
[1] Chiueh, T., Yang, C., He T., Pfister, H. & Kaufman, A., Integrated Volume Compression and
Visualization, Proceedings of the IEEE Visualization ’97, pp. 329-336, 1997.
[2] Cignoni, P., Montani, C., Scopigno, R., A comparison of mesh simplification algorithms,
Computers and Graphics, 22(1):37-54, 1998.
[3] Deering, M., Geometric Compression, Computer Graphics, SIGGRAPH ’95 Proceedings, pp.
13-20, Agosto 1995.
[4] Eck, M., DeRose, T., et al., Multiresolution Analysis of arbitrary Meshes, SIGGRAPH’95
Proceedings, pp. 173-182, Agosto 1995.
[5] Gross, M., Staadt, O. & Gatti, R., Efficient triangular surface approximation using wavelets
and quadtree data structures, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,
2(2):130-143, Junio 1996.
[6] Heckbert, P. & Garland, M., Survey of polygonal surface simplification, Technical Report, CS
Dept., Carnegie Mellon University.
[7] Heckbert, P., Rossignac, J. et al., Course Nº 25: Multiresolution surface modeling, En Course
Notes for SIGGRAPH’97, 1997.
[8] Hoppe, H., Progressive Meshes, Computer Graphics, SIGGRAPH’96 Proceedings, pp. 98-108,
Agosto 1996.
[9] Lounsbery, J., Multiresolution Analysis for Surfaces of Arbitrary Topological Type, PhD
Thesis, University of Washington, Seattle, 1994.
[10] Popovic, J. & Hoppe, H., Progressive Simplicial Complexes, SIGGRAPH’97 Proceedings,
pp. 108-116, Agosto 1997.
[11] Stollnitz, E., DeRose, T. & Salesin, D., Wavelets for Computer Graphics: Theory and
Applications, Morgan Kaufmann Publishers, Inc, 1996.
Página 79
78